特大型矿床研究若干问题探讨

作者简介　裴荣富，研究员， 1948年清华大学理学院毕业学士学位，1999年增选为中国工程院院士；历任中国地质科学院矿床地质研究所所长，国际矿床成因协会主席，中国地质学会矿床专业委员会主任；现任世界地质图类委员会世界大型超大型成矿图项目首席科学家；长期从事矿床勘查地质学和成矿学研究，现正从事大型矿集区深部精细结构与含矿信息和中生代大规模成矿研究；多年来获多项国家、部级大奖和李四光科学研究奖，为国家地质勘查事业、矿床地质科学研究以及培养大量高级人才做出重要贡献。
　　摘　要　特大型矿床具有特殊的研究意义。根据对一些特大型矿床成矿特征的研究，其具有成矿偏在性，即对成矿元素（矿种）、成矿类型、成矿时代、成矿背景（环境）等均具十分明显的选择性，并受控于异常成矿构造聚敛场，特别是“景”、“场”、“相”、“床”四个成矿等级体制的最佳耦合。成矿作用爆发异常是导致特大型矿床形成的关键因素。对在地质历史上周期性地爆发成矿作用异常的原因及其与常规成矿作用的“引潮共振”机制对比分析研究，从矿集区中发现矿汇，按等级体制最佳耦合形成特大型矿床研究思路有助于对特大型矿床的深入研究和勘查评价。
关键词　特大型矿床　成矿偏在性　异常成矿构造聚敛场　成矿等级体制　成矿作用　爆发异常
　　1 引　言
　　特大型矿床（exceptional large ore deposit）（B．Ⅱ．费多尔丘克，1990；裴荣富，1993；A.A.Kemenetsky，1995）给人类社会带来巨大经济利益。国内外已发现的特大型矿床资料的初步统计（P.Laznicka,1994；裴荣富，1995）表明，数量占全球矿床总数不到5％的特大型矿床提供了全球矿产资源量的75～95％。因而研究特大型矿床是世界矿产资源勘查评价与开发的极为重要和长远的研究方向。二十世纪八十年代以来，对特大型矿床的研究与勘查引起全球性的关注。澳大利亚、美国、加拿大、俄罗斯以及我国等矿业大国相继组织对特大型矿床进行不同层次的研究和勘查工作。
　　近年来，我国主持开展了国际地质对比计划IGCP－354《岩石圈超巨量金属堆积项目》（裴荣富，1995～2000），现该项目又将延续为IGCP－456《深部构造过程与金属富集》（裴荣富，2001～2005)。在巴西31届国际地质大会期间，世界地质图类委员会（CGMW）建立了《1∶2500万世界大型超大型成矿图研究》项目（裴荣富，2001～2004）。此外我国还相继独立开展了一些与特大型矿床有关的重大研究课题，如《与寻找超大型矿床有关的基础研究》（涂光炽，1999～2000）、《找寻难识别隐伏的大矿、富矿的新战略方法新技术基础研究》（谢学锦，1996～2000）和《中国特大型矿床形成地质背景和预测研究》（裴荣富，1999），为世界及中国的若干特大型矿床进行了典型解剖和探索，取得了一些重要认识。
　　特大型矿床具特殊的成矿特征，有特别的成矿理论意义。根据我们的初步研究，特大型矿床是常规成矿作用发生异常或者异常成矿作用的产物。
　　对特大型矿床的划分标准，目前不同学者有不同的看法。加拿大学者拉兹尼卡（P．Laznic－ka，1983，1989）用吨位富集指数（TAI），即金属储量与该金属地壳平均丰度的比值划分巨型矿床（1011)、超巨型矿床（1012）。该方法优点是便于全球对比，缺点是只适用于金属矿床，无法应用于非金属矿床。而且如果按此标准，铁、锰、铝等常量元素矿床很难达到巨型，但一些微量元素如铋、钼、钨、锡等超大型矿床数却较多。特大型矿床储量／资源量下限也可选用全球同类已知矿床按规模从大到小排序，选前2％～5％的矿床的平均储量／资源量作为类比标准。我国学者一般以大型矿床储量／资源量下限的若干倍作为特大型的标准，例如作者等曾建议以我国全国矿产储量委员会1987年颁布的大型矿床储量下限的5或10倍作为特大型矿床储量／资源量的下限。但大型矿床储量／资源量的下限迄今没有国际标准。
　　2 特大型矿床的成矿偏在性研究
　　多年来对特大型矿床的研究一直有二种不同的观点——鹤立鸡群说和独生子说。前者例子有众多的特大型斑岩铜矿，如玉龙、德兴等和一些有色、贵金属和黑色矿产如锡矿山（Sb）、厂坝（Zn、Pb）、弓长岭（Fe）；后者的例子如我国的白云鄂博（FEE－Fe－Nb）、金顶（Zn－Pb）、柿子园（W－Sn－Mo－Bi一萤石），美国的Sterling Hill（Pb－Zn）、澳大利亚的奥林匹克坝（Au－Cu－U－Ag）。涂光炽等（2000）根据特大型矿床与一般的矿床在分布规律、控矿因素、矿化特征和形成机制等方面的类比，将特大型矿床划分为常规型和非常规型以及过渡型三类。其中的常规型和非常规型分别与鹤立鸡群和独一无二观点相当。过渡型特大型矿床在某一（些）重要特点上独树一帜，但在很多特征上与一般矿床无异。如我国大厂锡石硫化物矿床属于常规的海底喷气—后期岩浆热液叠加改造矿床，但其共生Sb的超大型规模特征是世界上独一无二的。
研究发现，无论是独一无二的还是鹤立鸡群式，或者是过渡型，特大型矿床对成矿元素（矿种）、成矿类型、成矿时代、成矿背景等均具有十分明显的选择性——我们称之为特大型矿床成矿偏在性（metallogenetic preferentiality）（裴荣富等，1994，1998，1999）。
　　2．1 特大型矿床对元素（矿种）的偏在性
　　P．Laznicka对全球260个特大型矿床进行统计（1994），表明不同元素（矿物或矿种）形成特大型矿床的数量及能力各不相同。按不同矿种所形成的特大型矿床数量排序为铜、金、铁、银、铬、钼、铅锌、锑、汞、砷、锰、钨、镍、铌、铋、锆、稀土、钒、硒、钴、铀、锂、铯、钽、铊等。即排序靠前的金属较易形成特大型矿床，而排序靠后的金属则较难出现巨量堆积。反映了特大型矿床对成矿元素（矿种）是有选择的。根据对我国48种主要矿产198个特大型矿床（大型下限的5或10倍以上）的统计结果（梅燕雄等，1997），按所形成的特大型矿床数量排序为：煤→石膏→铁→硫铁矿→钛→磷、芒硝→金、高岭土→石盐、滑石→锌、钨、钼、汞、菱镁矿、耐火粘土、石墨、云母→铝、锡、钽、稀土、硼、蛭石→铜、银、萤石、自然硫、重晶石、金刚石→铅、镍、锑、铋、铌、铍、锂、明矾石、膨润土、钾盐、石油。金属矿床与全球具有相似特点，但也有一些特殊性。如铅、铜、银、镍等特大型相对少，钛、钨相对多。锰、铬、矾、天然碱、天然气等5种矿产我国至今尚未发现特大型矿床。
　　2．2 特大型矿床类型的偏在性
　　全球已知铜矿类型近20种，但在储量大于1000万吨的21个铜矿床中，斑岩型占12个（57％）、砂页岩型6个（29％）、铜镍硫化物型2个（9％）、黄铁矿型1个（5％）。在近20种铜矿类型中只有4种类型可以形成特大型矿床，并且又特别集中于斑岩型和砂页岩型（86％），说明特大型矿床对矿床类型具有十分明显的选择性。又如，钼矿的重要工业类型有好几种，但只有斑岩型钼矿达到特大型；我国铁矿类型众多，主要有受变质型、岩浆型、火山岩型、夕卡岩型、沉积型、风化壳型及热液脉型，目前只有前三种能形成特大型矿床，其中又以太古—古元古代特大型BIF型铁矿床最为重要。
　　　2．3 特大型矿床成矿时代的偏在性
　　特大型矿床可作为地质历史演化过程的标记（裴荣富等，1994）。它在成矿时代上不均衡地偏爱于一定地质历史时期。例如，全球特大型铁矿床主要形成于晚太古代—古元古代，特大型铅锌矿床主要形成于中元古代—古生代，特大型铜钼矿床主要形成于中生代—新生代。一些元素的特大型矿床偏爱于地史早期（太古—元古宇），而另一些元素的特大型矿床则偏爱在地史晚期，具有演化上的滞后性（metallogenic hysteresis）特征（Ye Jinhua et al）。这种偏爱性与成矿元素在地壳、地球中的丰度和地球化学亲和性有关。根据在一个成矿年代省（区）内特大型矿床的储量规模与成矿跨度（Ts）比值，可以建立一个成矿省（区）特大型矿床成矿年代评价指数（api）和应用特大型矿床储量相对丰度（RAOR）及其成矿时限（FTI）的相关关系，来评价成矿区带成矿远景及特大型矿床的成矿强度。
　　2．4 特大型矿床空间（环境）的偏在性
　　特大型矿床往往产出的特定位置与特定的构造背景、特殊的岩相古地理地层环境、特殊的岩浆活动有关。根据对全球200多个特大型矿床资料的统计分析，它们主要偏爱产于大陆边缘增生带或板块汇聚带、陆内克拉通或陆缘裂谷系、陆内构造岩浆带、前寒武纪花岗一绿岩带及大型韧性剪切带等成矿堆积环境中。我国特大型有色、稀土矿床往往产于同生断陷盆地或裂谷构造环境。根据中国五大成矿构造域，30个成矿堆积环境和南、北、中三大走廊式区域成矿大断面、36个矿床柱模式研究，中国特大型矿床偏爱产出在17个矿集区。
　　3 特大型矿床形成的异常成矿构造聚敛（场）
　　成矿构造场（metallotect）的概念是20世纪60年代拉斐特（P．Laffitte，1965）研究法国成矿图时提出的，但这一概念没有与矿床的成因有机结合起来。
　　异常成矿构造聚敛场（exceptional metallotect convergence）可以理解为有利于特大型矿床的控矿组合体与异常成矿场。它主要表现在一定成矿地质构造背景上发生的成矿环境突变，使成矿流体流在开放体系的非平衡物化条件下骤然变为相对平衡，并释放出大量能量，产生有利成矿构造动力，促使成矿物质巨量堆积。因此，异常成矿构造聚敛场是导致特大型矿床形成，并起到成矿发生偏在的重要控矿场作用。
　　从“演化是一切成矿因素的函数”和“时间维造就空间维”的动态成矿学概念出发，可以将中国陆上特大型金属矿床异常成矿构造聚敛场归纳为四个类型。
　　3．1 太古宙—古元古代同剪切形变异常成矿构造聚敛场
　　所谓同剪切形变是指同成矿的剪切形变。它是成矿作用与剪切构造在同一连续时间发生的，成矿在空间和时间上是连续的、一体的，尤其是富大矿体（脉）主要是受同剪切驱动使成矿物质在韧一脆性及脆性剪切过程中堆积形成的。在我国前寒武纪地块的花岗一绿岩带中，由于多种有利成矿构造的汇聚，常形成沉积变质型铁矿、绿岩型金矿等重要矿床，但只有当这些有利成矿控制因素与韧一脆性剪切带形成一种罕见的同剪切形变异常成矿构造聚敛场时，才能形成特大型矿床。后剪切形变控矿（即成矿作用与剪切构造有时差、成矿时间与空间不连续）一般不形成特大型矿床，但可作为后剪切构造一岩浆活化成矿作用的“成矿基预”（ground preparation）。这也是我国花岗一绿岩带受后剪切构造一岩浆活化形成大型金矿床的特殊成矿作用，如胶东金矿可称之为广义花岗一绿岩带型金矿。
　　3．2 中元古一古生代“三同一体”异常成矿构造聚敛场
　　“三同一体”是指成矿同生断裂、成矿同生不协调褶皱、成矿同生角砾岩三种控矿地质环境在时空上的最佳耦合。“三同一体”异常成矿构造聚敛场对沉积岩容矿的特大型层控和层状矿床的形成最为重要。关于这类矿床的成因尚有不同看法，但一般共识是该沉积盆地长期持续沉降并能不断接受巨厚的含矿堆积，而且发育同成矿生长断裂，沿着断裂有喷流或热卤水补给。如果在被补给的成矿物质发生工业堆积的同时或稍后，矿层受同构造作用与围岩产生不协调褶皱，加上后期热液的改造，则随着成矿空间的容积成倍增大，成矿物质堆积量也将随之扩大。据此，可以认为，同成矿生长断裂与继而产生的同成矿不协调褶皱的耦合对特大型喷流沉积或热水沉积矿床的形成起到特殊的控矿作用。例如，澳大利亚Broken Hill铅锌铜矿床就是同成矿不协调褶皱使成矿物质不断补给而形成的特大型矿床，我国的中元古代东升庙特大型铅锌硫矿床和古生代厂坝特大型铅锌矿明显地受控于同成矿断裂和同成矿不协调褶皱，而锡矿山特大型锡矿床则是典型的“三同一体”控矿。必须指出，“三同一体”的最佳耦合是很少见的，较常见的是“二同”或“一同”，能否形成特大型矿床还取决于能否与其他控矿因素耦合，特别是充分的物源补给、显生宙构造岩浆作用的叠加改造等。另外，此类超大型矿床在新生代也有产出，如我国云南金顶铅锌矿。
　　3．3 中生代“行、列、汇”异常成矿构造聚敛场
　　“行、列、汇”构造式样，主要是指两组构造交叉控矿，在其它成矿因素的耦合下，可以成为有利于特大型矿床形成的异常成矿构造聚敛场。“行、列、汇”异常成矿构造聚敛场至少包括下列三个方面的内涵：其一是两组构造的交叉；其二是在构造交叉处（即“汇”）出现岩浆作用的耦合并发生共岩浆补余分异（Co－magma complementary differentiation）效应；其三是与深部地震剪切波的垂向低速带耦合或者有地幔的透岩浆流体作用。位于中蒙俄交界的大兴安岭西坡是铀、金、铅锌、萤石等超大型矿床的集中分布区，区内的超大型矿床都位于NE向主干断裂与NW断裂构成的“行、列”交汇部位——构成矿汇（阎鸿全等，2000）。我国东部前中生代近E－W构造带与中生代NE－NNE或近S－N和NW构造带叠加形成的“行、列、汇”构造式样广泛发育，当其受中生代深部“构造圈”（Tectonosphere)壳－幔不谐调运动形成构造一岩浆作用，并与“行、列、汇”表壳构造耦合时，多易构成异常成矿构造聚敛场。这是中生代特大型矿床在我国东部广泛发育和集中分布的重要因素。
　　3．4 新生代多阶湖汇流异常成矿构造聚敛场
　　我国西部高原盐湖地区是多阶湖汇流异常成矿构造聚敛场发生的主要地质环境。大面积分布的泛河湖区经区域构造变动后形成不同高差的阶梯状多阶湖盆，初始泛河湖中的成矿物质随流体介质向最低阶湖盆汇流，从而导致巨量盐类和共生低原子序数成矿物质的大规模堆积，形成特大型矿床。西藏扎布耶特大型盐湖矿床是其典型代表。
应当指出，异常成矿构造聚敛场仅是为成矿流体淀积大规模成矿物质提供场地准备，形成特大型矿床还必须与高异常的地球化学块体（谢学锦，1999）相结合，特别需要与金属成矿相，即有利成矿物、化条件相耦合才有可能。
　　4 矿集区、矿汇与特大型矿床
　　在26届国际地质大会期间法国科学家D．R．Derry（1980）提出矿集区（矿床／点集中区）的概念，旨在应用大量矿床（点）在空间的自然密集分布趋向，弥补不同成矿学家应用地质控矿因素研究成矿规律的不足。1989年美国地质学家P．Guild在28届国际地质大会上展出美国矿集区图，但末公开发表。作者等认为矿集区实际上是在成矿区带内具有座标定位的不同金属和类型矿床（点）的密集分布场。这个场当属地球化学异常场，在客观上也必然受控于成矿区带内特定的成矿构造聚敛场，并与深部初始地壳源和再造源的不均匀分布有关。
　　矿集区中矿床高密集部位可形成矿汇（ore cluster）。矿汇将可能是特大型矿床产出部位。对中国钨锡矿初步研究表明，中生代钨锡矿矿集区是大规模成矿和特大型矿床的背景，其中特大型矿床多在矿集区的矿汇部位；研究矿集区中形成矿汇的规律将是寻找特大型矿床的重要研究方向。矿集区随矿种不同其密集分布的态势和范围均不同，金矿的矿集区遍布全国，但密集的势态远不如钨锡矿。这是由于不同金属与其在地壳的初始源和再造源不同，以及与不同金属的地球化学行为也不同。实际上，矿集区大多为金属组合汇聚区，根据我们的初步研究划分出国内与特大型矿床偏在于17个矿床组合区。
　　5 特大型矿床的等级体制成矿研究
　　等级体制成矿（Hierarchy systematic metallogeny）是应用单元一超单元等级体制研究花岗岩基的方法来研究成矿学的新思路。从20世纪初提出金属成矿省（区、带）（De Launay，1913）以来，近一个世纪的成矿学研究发展中，大多是从一个成矿区（带）广袤分布的成矿构造“景”中圈定成矿构造聚敛“场”，在场中揭示成矿流体达到物化条件相对平衡态的金属成矿“相”及其最后淀积出的最佳结构一构造矿“床”，即“景”、“场”、“相”、“床”四个成矿等级体制。长期以来，国内外成矿学家对等级成矿的一个级别作有大量的、甚至很高的研究程度，然而，四个等级体制在成矿史演化过程中是不可分割的整体。根据对大量已知矿床的统计，成矿的四个等级不耦合者不成矿，一般耦合仅为一般规模矿床，最佳耦合才能形成特大型矿床。因此，在成矿过程中，研究四个等级体制耦合程度是当前进行区域成矿勘查评价的关键。什么原因和机制才能促使四个等级体制达到成矿最佳耦合呢？据有关单位统计其最佳耦合形成特大型矿床的机率是很小的。因此，“景”、“场”、“相”、“床”四个成矿等级体制的最佳耦合形成特大型矿床的机制绝对不是一般成矿机制，而应是由于在一定地质历史时期特殊成矿热事件激发正常成矿作用产生“引潮共振”促成的。
　　研究成矿等级体制最佳耦合的切入口，可以以某成矿省为案例，根据一定地质历史时期成矿爆发异常进行探索。首先，划分出有利特大型矿床形成的构造地质环境背景，而后圈定出成矿构造聚敛场，根据流体和物化条件研究划分出金属成矿相，研究并提出矿床式。在上述的“景、场、相、床”研究的基础上，结合在地质历史中发生的异常事件激发成矿异常及其可能发生巨量金属堆积的认识，提出等级体制成矿的最佳耦合区，可以达到预测特大型矿床靶区的目的。
　　6 特大型矿床成矿作用爆发异常初步探讨
　　研究表明特大型矿床一般是在相对比较短的地质时间内形成的。成矿作用爆发异常是导致特大型矿床形成的关键因素，它可能与气象学界提出的厄尔尼诺事件促发正常气候发生“引潮共振”导致天气异常相类似。根据长江流域历史上周期性暴雨成灾的启发，我们认为只有在地质历史上周期性地爆发成矿作用异常，并与一定控矿作用因素发生“引潮共振”激发常规的源、运（传输）、储（淀积）异常耦合，才能促使金属得以巨量快速堆积。成矿作用爆发异常的强度和成因分析及其与常规成矿作用的“引潮共振”机制将是研究特大型矿床成矿与勘查的重要基础问题。
　　导致地质历史上成矿作用爆发异常的原因是什么呢？作者根据已有的研究成果，初步提出，地质历史上出现“氧大气变态”（Oxyatmoversion）过氧和“还原大气变态”（Redoxyatmoversion）缺氧事件等全球性重大事件是促发成矿作用异常，并形成太古亩—古元古代特大型BIF型铁矿床及绿岩型金矿床和中元古—古生代特大型沉积岩容矿的铅锌矿床的重要原因。研究表明，新太古代晚期至中元古代在华北地台北缘以致全球范围发生了一系列成矿作用爆发异常事件，如新太古代晚期（2900～2500Ma）绿岩带金矿、新太古代晚期—古元古代磁铁石英岩建造铁矿床（2700～2 000 Ma）、古元古代蒸发盐类硼镁铁矿和菱镁矿（2000～1800Ma）、中元古代早期宣龙式铁矿（1800～1600Ma）、中元古代晚期沉积岩容矿喷流一热水沉积铅锌钢硫矿床（1600～1500Ma）等，形成了五个阶段不同矿种类型的成矿高峰。这一时期在华北地台北缘以致全球范围发生了板块碰撞汇聚、隆升和离散、拉张、沉降的构造旋回演化，从岛弧－弧后盆－陆缘盆－拗拉槽－裂谷－洋盆等环境的漫长和周期地急剧演变，激发强烈的地幔排气作用，从而使地球圈层发生大规模的物质交换，引发水圈和大气圈的“氧大气变态”和“还原大气变态”循环。这些事件的全球变态促发正常成矿的“引潮共振”而导致成矿作用异常，并在相对短的时限内发生急剧的巨量成矿物质堆积，形成世界级特大型矿床。
　　地球各圈层（包括软流圈、岩石圈、水圈和大气圈等）之间的相互作用，是成矿作用的主要原动力。澳大利亚以Macquarie大学为主组织国际有关单位开展“大陆地球化学演化与成矿”研究，提出了构造圈热侵蚀（Tectonosphere thermal erosion）；在中国东部也发现岩石圈大量去根，从而提出幔壳将发生混同大变革等新概念，为进一步研究大陆构造岩浆作用特别是陆内成矿作用爆发异常奠定了理论基础。以我国南岭地区为例，大规模的陆内造山和强烈的岩浆活动造成该区中生代“构造圈热侵蚀”，发生大规模的壳一幔溃变，并形成全球最大规模的同熔一重熔花岗岩省。这样大规模的构造一岩浆热事件可能是成矿作用爆发异常的“原质”或“基因”，它对超巨量金属量堆积起到“引擎”作用。但是，要形成特大型矿床还必须通过它与表壳的“行一列一汇”构造控矿样式相耦合，这就是成矿作用深部构造过程的岩浆热事件与表壳控矿构造发生“引潮共振”而导致成矿作用爆发异常并形成特大型矿床。
　　BIF型是世界铁矿最重要来源的矿床，在较短的地质时期内可以形成几百亿吨以上的铁建造，储量最大可达千亿吨（俄罗斯库尔斯克）。根据其中特大型铁矿储量相对丰度（RAOR）及其与成矿时限（FIT）的相关关系，作者在31届IGC上提出澳大利亚哈姆斯利克（365亿吨）、乌克兰克利沃洛克（290亿吨）、巴西铁四边型（220亿吨）和美国上湖（169亿吨）是在50～300Ma的成矿时限间受氧大气变态事件激发成矿作用异常而导致超巨量堆积。
　　缺氧环境有利于锡、锑、钡、重晶石、金、银、铂族元素等超大型矿床的形成。据范德廉等(2000)对我国南方黑色岩系中的矿床研究，在黑色岩系矿集区中，地史重大转折期（如前寒武－寒武）的缺氧事件和地质历史上缺氧环境（事件）的发生和持续发展可能是激发成矿作用爆发异常的根本因素。